Ein Beschleunigungssensor ist ein Sensor , der, gebunden an ein Mobiltelefon oder jedes andere Objekt, es ermöglicht , die zur Messung der linearen nicht-Gravitationsbeschleunigung des letzteren. Wir sprechen von einem Beschleunigungsmesser, selbst wenn es tatsächlich 3 Beschleunigungsmesser sind, die die linearen Beschleunigungen nach 3 orthogonalen Achsen berechnen.
Wenn wir dagegen versuchen, eine Drehung oder Winkelgeschwindigkeit zu erfassen, sprechen wir von einem Gyrometer . Allgemeiner sprechen wir von einer Trägheitseinheit, wenn wir alle 6 Beschleunigungen messen wollen.
Obwohl die lineare Beschleunigung in m / s 2 ( SI ) definiert ist, drückt der Großteil der Dokumentation zu diesen Sensoren die Beschleunigung in "g" (ungefähr 9,81 m / s 2 ) aus (wie sie durch die Erdgravitation verursacht wird ).
Ein Beschleunigungsmesser kann durch ein Masse-Feder-System schematisiert werden . Betrachten wir dieses Diagramm als entgegengesetzt: Im Gleichgewicht ist die Position x der Masse m die Referenz, daher ist x = 0. Wenn der Träger eine vertikale Beschleunigung nach oben erfährt, werden zwei Dinge stattfinden: Dieser Träger bewegt sich einerseits nach oben und aufgrund der Trägheit der Masse m bleibt dieser tendenziell in seiner Ausgangsposition und drückt die Feder auf der anderen Seite zu komprimieren. Der Wert x ist umso größer, je größer die auf den Träger ausgeübte Beschleunigung ist.
Wir können anhand des Grundprinzips der Dynamik für ein nicht gedämpftes System (und indem wir das System horizontal betrachten, damit wir das Gewicht nicht berücksichtigen) zeigen: mit der Beschleunigung der Masse m und x die Position des Trägers ( in Bezug auf einen galiläischen Bezugsrahmen ).
Es scheint klar, dass diese Beschleunigung proportional zu x ist . Durch einfaches Messen der Verschiebung der Masse m in Bezug auf ihre Unterstützung kann man die Beschleunigung erkennen, die diese erfährt.
Das Prinzip der meisten Beschleunigungsmesser basiert auf dem Grundgesetz der Dynamik :
F = m amit
Genauer gesagt besteht es aus der Gleichheit zwischen der Trägheitskraft der seismischen Masse des Sensors und einer auf diese Masse ausgeübten Rückstellkraft. Es gibt zwei Hauptfamilien von Beschleunigungsmessern: Nicht-Servobeschleunigungsmesser und Servobeschleunigungsmesser.
Bei Sensoren ohne Slave (offener Regelkreis) wird die Beschleunigung anhand ihres "direkten" Bildes gemessen: der Verschiebung der seismischen Masse (Kraftmasse oder sogar Testmasse) des Sensors, um eine Gleichheit zwischen der Rückstellkraft und seiner Kraft von zu erreichen Trägheit.
Es werden Nicht-Servo-Beschleunigungsmesser vermarktet, die direkt auf dem Markt erhältlich sind:
Ebenso gibt es nicht vermarktete wie:
Bestimmte Kristalle ( Quarz , Seignettsalz ) und bestimmte Keramiken haben die Eigenschaft, bei Verformung elektrisch geladen zu werden. Umgekehrt verformen sie sich, wenn sie elektrisch geladen sind, das Phänomen ist reversibel. Der Kristall lädt sich auf zwei gegenüberliegenden Flächen mit entgegengesetzten Ladungen auf, wenn er einer Kraft ausgesetzt wird, die zwischen diesen beiden Flächen ausgeübt wird. Eine Metallisierung der Flächen ermöglicht es, eine elektrische Spannung zu sammeln, die in einem Stromkreis verwendet werden kann.
Bei servogesteuerten Beschleunigungsmessern wird die Beschleunigung am Ausgang einer Rückkopplungsschleife (Servosteuerung) gemessen, die einen PI-Korrektor (Integral Proportional: Korrektortyp zur Verbesserung der Genauigkeit) umfasst. Ein Verschiebungserkennungssensor (nicht servogesteuert) ermöglicht eine sofortige Beschleunigungsmessung. Dies ist der Eingabewert unserer Servoschleife. Am Ausgang dieser Schleife wird die Beschleunigung erhalten, indem die für die Rückstellkraft erforderliche Energie abgelesen wird, die die Rückkehr der seismischen Masse in ihre Ausgangsposition ermöglicht.
In Trägheitseinheiten wird diese Art von Technologie für eine Anwendung in der Führung , die im Allgemeinen in der Luftfahrt oder in der Astronautik verwendet wird, im Allgemeinen bevorzugt. In der Tat haben die Handys eine bestimmte Masse und ihr Schwerpunkt unterliegt Schwingungen mit relativ niedriger Frequenz in der Größenordnung von 0 bis 10 Hz . Dies ermöglicht daher die Verwendung von servogesteuerten Sensoren.
Diese werden nach ihrer Rückstellkraft klassifiziert, die vom elektromagnetischen oder elektrostatischen Typ sein kann. Oder abhängig von ihrer Art der Erkennung, die kapazitiv, induktiv oder optisch sein kann.
Im Jahr 2018 führte das Imperial College London einen Quantenbeschleunigungsmesser ein . Das System basiert auf der Messung der Eigenschaften von Quantenwellen, die von Atomen während Beschleunigungen abgegeben werden, wodurch die Verschiebung und damit die Position in Bezug auf die Zeit abgeleitet werden kann. Die Bedienung ähnelt der herkömmlicher Beschleunigungsmesser, ist jedoch wesentlich empfindlicher und präziser.
Das System verwendet Laser , um die Atome auf extrem niedrige Temperaturen zu kühlen, was Platz erfordert.
Zusätzlich zu den klassischen Eigenschaften von Sensoren kann der Beschleunigungsmesser durch folgende Daten charakterisiert werden:
Alle diese Eigenschaften interagieren und charakterisieren ein Prinzip, eine Technologie oder einen Herstellungsprozess.
Die Anwendungen dieses Sensors sind sehr vielfältig:
Dennoch werden sie im Allgemeinen in drei große Kategorien eingeteilt:
Die Stöße sind Beschleunigungen mit sehr starker Amplitude. Beispielsweise wird ein Objekt, das aus einer Höhe von 20 cm auf ein 5 cm dickes Stahlblech fällt, beim Aufprall einer Beschleunigung von 8000 g und auf einem 50 Seiten dicken Notizbuch einer Beschleunigung von nur 90 ausgesetzt g .
Dies sind sehr kurze Beschleunigungen und erfordern daher einen Durchlassbandsensor im Allgemeinen im Bereich von 0 bis 100 kHz .
Die für diese Messungen erforderliche Genauigkeit liegt in der Größenordnung von 1% der Messskala des Sensors .
Die Sensoren, die üblicherweise mit dieser Art von Anwendung verbunden sind, sind nicht gesteuerte Verschiebungsbeschleunigungsmesser, genauer gesagt:
Beispiele:
Vibrationsbeschleunigungen gelten als Beschleunigungen mittleren Niveaus (im Allgemeinen um die hundert g). Sie benötigen einen Sensor mit einer Bandbreite von bis zu 10 kHz und einer Genauigkeit von ca. 1% der Messskala des Sensors.
Die verwendeten Beschleunigungsmesser vom Nicht-Slave-Typ sind:
Beispiele:
Mobile Beschleunigungen sind gering. Beispielsweise beträgt die maximale Beschleunigung für den " Rafale " 9 g . Diese Beschleunigungen überschreiten einige zehn Hertz nicht. Andererseits kann die erforderliche Präzision wichtig sein. Sie variiert zwischen 0,01% und 2% der Messskala des Sensors.
Die verwendeten Beschleunigungsmesser sind:
Beispiel:
Seit der Entwicklungsphase von MEMS- Beschleunigungsmessern von 1975 bis 1985 hat der Beschleunigungsmesser einen "Boom" in seiner Verwendung erlebt. Tatsächlich stieg der Umsatz von 24 Millionen im Jahr 1996 auf 90 Millionen im Jahr 2002. Der Preis für MEMS sinkt weiter . Mit der jüngsten Einführung von NEMS- Beschleunigungsmessern wird diese Allgegenwart des Beschleunigungsmessers in verschiedenen „Verbraucher“ -Produkten immer aktueller.
Trägheitseinheiten mit 6 Beschleunigungen, wie beim iPhone 4, verbrauchen mehr Energie und sind oft weniger empfindlich als eine Einheit, die nur auf 3 lineare Beschleunigungsmesser reduziert ist, wie bei vielen Mobiltelefonen, einschließlich dem iPhone 3GS , oder sogar 2 für eine. Spielekonsole wie WII , oder sogar eine einzelne Dimension, um eine Festplatte im Falle eines Sturzes eines Laptops ( ThinkPad ) anzuhalten .
In Sportuhren:
Zur Messung einer sportlichen oder alltäglichen Geste:
In Kameras und Kameras:
In Ultra-Portable, PDA usw. ::
Mit dem Handy:
In Videospielen:
In der Telefonie: Aufgrund der Konvergenz der Technologien werden Beschleunigungsmesser verwendet, um die meisten der oben beschriebenen Funktionen zu kombinieren.
In Transportfahrzeugen: